如何提高电源系统的可靠性

来源：罗姆半导体社区

产品和/或系统可靠性应是设计和开发过程中的一个关键焦点。在设计时，如果没有了解或无法解决识别可靠性问题和评估可靠性问题的能力。在开发结束时考虑可靠性的影响太迟了。

电源要可靠，必须简单。以简单为目标的设计工作将产生比复杂电源更可靠的电源。例如，基本的单输出低功率转换器比多输出高功率转换器具有更高的计算可靠性。虽然增加了保护电路，但会增加电源的实际使用寿命。

在开发的早期阶段，电源电路应该细分为两块：关键应用和非关键应用。这将有助于设计师了解部件选择和降额系数。

关键应用将包括故障将导致电源停止工作的区域。非关键区域是辅助应用。对于关键应用，零件必须是最高质量的，同时尽量减少使用会随着时间而恶化的部件，如电解电容器、风扇和继电器。

执行可靠性预测的两个公认标准是MIL-HDBK-217和Bellcore/Telcordia技术参考TR-332。这两种经验预测方法都有几个共同的假设——恒定失效率、热应力加速度系数的使用、质量系数和使用条件。这两种方法都是基于对历史失效数据进行统计曲线拟合的模型，这些数据可能是在现场、内部或制造商收集的。

在通用标准中，可以根据不同的部件获得适用于故障率的校正系数的最佳指示。这取决于使用条件、温度、可靠性试验信息和“设计可靠性”信息。

例如，根据MIL-HDBK-217F建立的功率MOSFET总失效率的数学模型是其基本失效率乘以特定的温度、应用、质量和环境因素。应该注意的是，可靠性是一个介于0和1之间的因素，没有维度。然而，故障率是特别在电子工业中测量的。设备的适合性（时间故障）是指在10亿（109）小时的运行中可以预期的故障数量。考虑到功率MOSFET适用于250W电源（基本故障率为12fit），工作温度接近100°C（热系数为3.7），质量因数JANTX（根据MIL-S-19500为8），环境因数GF（接地固定为1.6），总故障率为2.312次/106h。

考虑环境因素后，由于MTTF与失效率成反比，导致功率MOSFET的MTTF约为470000小时。然而，在不计算环境和热因素的情况下，初始MTTF约为83000000小时。

为了提高MOSFET和电源的可靠性，设计者可以选择增加器件的热降额。通过显著冷却零件并将MOSFET的工作温度设置为80°C而不是100°C，热系数将从3.7降到2.7，使MTTF 643000小时提高36%。

在预先设定的操作和环境条件下，通过仔细分析电应力和热应力因子以正确确定功率MOSFET的尺寸，才能降低故障率。这可以通过检查降额计划来实现，使用从HALT（高加速寿命试验）试验中收集的数据，可以计算出可靠性数据，具有很好的精确度。尽管要测试的样本数量通常是有限的，但测试站的数量是固定的，运行测试的可用时间是有限的。这会影响设计师希望计算参数落下的“置信区间”。为了简单起见，在两种特殊情况下重现了“单边低置信区间”的计算函数：“有替代中断的试验”和“无替代中断的试验”。第一种情况主要涉及在从现场返回的情况下真实MTTF的计算，尽管这种方法不令人满意，因为制造商不知道这些装置已经运行了多久，也不知道运行条件。高加速应力筛选，也称为HASS，同时应用所有应力。根据停机极限，HASS应力水平评估接近其工作极限的电源。

审核编辑黄昊宇